基于发电机非同期并网的危害\预防与处理的几点认识

摘要： 对发电机非同期合闸产生原因和危害的进行分析，通过事故实例，提出了预防和处理方法。

关键词 ：发电机；非同期；危害；预防；处理

引言：电能不能大量储存，其生产、输送、分配和消费几乎是同时完成的，为了提高供电安全性、经济性和稳定性，发电机需要并入电网运行。

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1 发电机并入电网需要满足四个条件

相序一致、电压大小相等、频率相等、相位一致，可分为准同期并网和自同期并网。准同期并列就是并列操作前，调节发电机励磁，当发电机电压的相位、频率、幅值分别与并列点系统的电压相位、频率、幅值相接近时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。自同期并网就是先将励磁绕组经过一个电阻闭路，在不加励磁的情况下，当待并发电机频率与系统频率接近时，合上发电机断路器，紧接着加上励磁，利用电机的自整步作用，即借助于原动机的转矩与同步转矩互相作用，将发电机拉入同步。现在一般采用准同期并网，因为准同期并网的优点是发电机冲击电流很小甚至没有，对电力系统没有什么影响，但必须满足准同期并网的条件否则造成非同期并网，在最恶劣条件下并网可能有很大的冲击电流比机端三相短路时电流还大，可到达发电机额定电流的20-30倍。

2 发电机非同期并网的现象及危害

所谓非同期是指凡不符合准同期条件，即将已励磁带有电压的发电机并入电网，叫做非同期并网，是发电厂电气操作的恶性事故之一。非同期并网发电机定子产生巨大的电流冲击，定子电流表剧烈摆动，定子电压表也随之摆动，巨大的电流对发电机、变压器及对系统造成严重冲击。机组将发生强烈的振动，使发电机绕组变形、扭弯、绝缘崩裂、定子绕组并头套熔化，造成严重的隐患甚至将绕组烧毁。就整个电力系统来讲，如果一台大型机组发生非同期并网，这台发电机将与系统发生功率的震荡，严重扰乱整个系统的正常运行，甚至造成整个电力系统的崩溃。不满足发电机与电网同期并网条件，具体情形如下。

1） 待并发电机与电网相序不一致的情况

发电机与电网相序不一致，发电机电压与系统电压之间具有较大相对运动，冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备损毁；或使发电机大轴扭屈。并且发电机与系统之间的自整步作用无法使发电机拉入同步。

2） 待并发电机与电网电压大小不等的情况

并列瞬间发电机内产生冲击电流；其周期分量有效值为WIim=|U|/X"d，当发电机电压UG>系统电压UX时；Iim滞后UG90o对发电机起去磁作用，发电机并列后立即带无功功率。

3）待并发电机与电网频率不等的情况

发电机电压与系统电压之间具有相对运动，如果这个相对运动比较较小；则发电机与系统之间的自整步作用；使发电机拉入同步；如果频率差较大，则并列合闸后δ在0o到360o之间周期性变化，当δ=0o时，U =0，则Iim=0；当δ=180o时，U=2UG=2UX，则Iim最大；当δ=360o时，U=0，则Iim=0。发电机在频率差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的（或负的）有功功率，对发电机转子产生制动（或加速）的力矩；将使发电机产生机械振动，严重时导致失步，造成并列不成功。

4）待并发电机与电网电压相位不一致的情况

在并列瞬间发电机内产生冲击电流；其周期分量有效值为Iim=U/Xd=2U/Xd sin（δ/2），当发电机电压UG超前系统电压UX时；Iim主要成分为UG同相位的有功分量（注意在并列时δ不能太大），发电机并入系统时立即带有功功率，对发电机有制动作用，有助于将发电机电压拉到与系统电压同相位；当UG滞后UX时，Iim的主要成分为与UG反向的有功分量，发电机并入系统时立即从系统吸收有功功率，对发电机有加速作用，同样有助于将发电机电压拉到与系统电压同相位。相位不一致比电压不一致的情况更为严重，如果δ很大（在180o范围内），则冲击电流Iim很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁；或使发电机大轴扭屈。特别是δ=180o时；Iim近似等于机端三相短路电流的两倍；损坏最严重。

3 发电机非同期并网事故实例

1）检修过程中更改接线。

2013年6月，在帮助附近驻地某部队一台容量320KW、机端电压400V的发电机组进行检修时，由于山间湿气较重且机组停运时间很久，担心发电机绝缘降低，在检修过程中拆除发电机接线后测量发电机绝缘并进行烘干。在恢复接线试并网时由于没有携带相序表，只是进行了并网试验进行验证，步骤如下：拆除自动准同期装置的合闸输出接点，用万用表选AC750V档连接发电机侧和电网侧两端，机组起励，调整电压、频率和电网相等后投入自动准同期装置电源和“输出”开关，当“合闸”指示灯亮时，几次测得的电压差在37V~46V之间，满足电压差低于15%的并网要求。但是就在恢复正常后进行并网时却出现了非同期并网的情况，合闸声音较大且未能并网成功。

经过检查，原来在测试绝缘电阻后恢复接线时，发电机输出端的B、C相接反，而并网检测的是A相电压，因此在试验时测量两端的电压都在允许范围内发出合闸信号。经过更改接线、使用相序表核相、假并网试验后重新开机运行，结果并网发电运行正常。

2）出厂接线和实际运行情况不符，导致中性点漂移。

2013年7月，海南水电五指山发电有限公司德胜水电站对发电机保护、控制屏进行改造更换工作，在安装工作结束进行假并网试验时，多次测量的数据均不理想，合闸脉冲输出时电网和发电机的电压差从50v、152V、230V之间多次反复。因此在测得电压差为50V后进行并网时出现合闸异常的情况，即合闸声音较响。后经公司技术人员和厂家技术人员反复探讨和检查，最终发现问题出在自动准同期装置接线上。

该站自动准同期装置选用的是ZTQ系列自动准同期装置，其背部接线如图所示：

该装置在厂家出厂接线时默认发电机中性点和电网中性点是连在一起的情况，因此端子⑤和⑥是可以连接的共同的中性点，在出厂接线时接线工认为端子①和②就无所谓电网A相和发电机A相，在接线时没有按照要求对应的接法给接反了，造成在①端接入发电机A相，在端子②接入的是电网的A相。

而在现场安装时由于德胜电站考虑发电机中性点和电网的中性点是分别独立不相连接的，当时建议把端子⑤和⑥的短接线拆除后重新从发电机中性点引一条中性线，没有考虑到核对出厂是A相的接线会颠倒，导致在检测同期并网时出现了中性点漂移的情况，即出现了在电压差从50v、152V、230V之间都可以发出合闸信号的情况。

在发现了原因并调换了①和②端子的接线后，照例进行假并网试验，合闸瞬间发电机和电网两端电压差在32V~50V之间，符合并网要求，最终三台发电机都顺利并网发电成功，且并网瞬间几乎没有压差造成的冲击，仅发出开关正常合闸的响声，符合我们预期的目的。

4 并网试验方法

1）相序核对

最简便的方法是使用相序表，在地方小水电实践过程中没有相序表的情况下还可以使用三相电机转向进行核对，也是一种比较简便实用的方法。

2）压差比较

目前在小水电站普遍使用了自动准同期装置进行并网，该装置多数取样自发电机和电网电压进行比较后输出合闸信号，因此可以在做假并网试验时解开控制合闸的继电器常开触点试验：

①将万用表切交流750V电压档，测量两端电压差，在合闸信号发出时如果两端电压在允许的15%范围内则可以判断符合同期条件。

②如果采用灯光判断法则在三个灯泡均变暗的情况下输出同期合闸信号时，也可以判断符合同期条件。

对于电网取样电源位于隔离开关上端的情况下（如图），则不必拆除合闸输出端子，只要断开隔离开关即可进行假同期试验，同样是用万用表测量两端电压差，当合闸完成瞬间时两端压差符合要求同样可以判断符合准同期要求。

3)在前述试验没有异常后可以按照运行要求正式投入并网运行。

5 教训及防范措施

1）对于新装设备要仔细检查准同期装置的接线是否按图纸要求接线；

2）在小水电设备的安装过程中要注意现场更改接线情况要符合运行要求；

3）做电气试验时，应先弄清设备接线情况，确定好试验的项目、方法、步骤和安全措施才进行试验。

4）进行假同期试验，在隔离刀闸拉开后，将断路器手动准同期及自动准同期合闸，检查同期装置和表计的好坏。

5）并网过程中多个表计进行比较以判断正确性，一定严格按操作票来操作，监护人要监护到位。

6）检修和运行人员必须熟悉本厂的一次系统和二次系统，遵守相关规程、规范和设备的使用说明书。

7）同步表指针停在零位不动或指针已指在零位时不准合闸。待并发电机在未并入系统前，与系统达到同期只是暂时的，同步表停在零位不动，可能是表内断线或其他原因所致，不得合闸。

8）同步表指向零位移动过快时，表明待并发电机与系统频率相差太大，不易掌握断路器的合闸操作时间，容易造成非同期，故不准合闸。

9）同步表指针过零位不稳定而有跳动现象时，可能是因为同步继电器的内部触点有卡阻现象，故不准合闸。

5 发电机的非同期并网应根据事故现象正确判断处理

当同期条件相差不悬殊时，发电机无强烈的振动和轰鸣声，且表计摆动能很快趋于缓和，则不必停机，机组会很快被系统拉入同步，进入稳定运行状态。若非同期并网对发电机产生很大的冲击和引起强烈的振动，表计摆动且不衰减时，应立即解列停机，待试验检查确认机组无损坏后，方可重新启动发电机并列。非同期并网，导致发电机或电网保护动作，应认真检查和试验，方可重新启动发电机。

参考文献

[1]张炳达.注册电气工程师执业资格考试 专业基础考试复习教程[M].天津大学出版社,2010.

[2]湖南省老科技工作者协会电力分会.防止电力生产重大事故的要求与措施(第二册)电气部分[M].中国电力出版社,2005